Лабораторный практикум по оптике, содержащий описание 21 лабораторной работы, страница 56

Рис. 18.1.

1.  Источник света.

2.  Фотоэлемент.

3.  Рельс.

4.  Миллиамперметр.

Рис. 18.2.

1.  Вакуумный фотоэлемент.

2.  Гальванометр.

3.  Ключ.

4.  Батарея.

Помимо вакуумных фотоэлементов, чувствительность которых сравнительно невелика (не превышает нескольких микроампер на люмен), применяются газонаполненные фотоэлементы.

В этом случае в колбу вводится какой-либо нейтральный газ (неон, аргон, гелий) при давлении, равным сотым долям мм. рт. ст. При достаточных напряжениях между анодом и катодом электроны, вырываемые светом, под действием электрического поля приобретают такую скорость, что оказываются в состоянии ионизировать частицы газа, наполняющего фотоэлемент (ударная ионизация). Ионы, образовавшиеся таким образом, в свою очередь приходят в движение и ионизируют нейтральные частицы газа; в результате к аноду устремляется всё возрастающая лавина электронов, от чего сила фототока значительно увеличивается, и чувствительность фотоэлемента возрастает.

В таком фотоэлементе ток насыщения отсутствует, кривая зависимости тока от напряжения довольно круто поднимается вверх. При некотором напряжении, равном потенциалу энергии газа, внутри фотоэлемента образуется самостоятельный разряд (фотоэлемент начинает светиться), фототок уже не будет управляться световым потоком, а начнет самостоятельно и неограниченно возрастать, ионы устремляются при этом к катоду и могут его разрушить. Недостатком газонаполненных фотоэлементов является отсутствие строгой пропорциональности между освещенностью катода и силой фототока, а также относительно большая инертность.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

УПРАЖНЕНИЕ I

Снятие световой характеристики

Собрать электрическую цепь по схеме (рис. 18.3).

Для снятия световой характеристики на оптическую скамью помещают эталонную лампу с силой света 21 свеча. Эталонную лампу включают через трансформатор на 6 вольт. Фотоэлемент устанавливается на оптической скамье прозрачной стороной к лампе. Его включают по схеме, где R – потенциометр, с помощью которого можно менять напряжение на клеммах фотоэлемента; V – вольтметр, измеряющий напряжение; mА – микроамперметр для измерения фототока (рис.18.3).

Рис. 18.3.

1.  Лампа.

2.  Фотоэлемент.

3.  Микроамперметр.

4.  Вольтметр.

5.  Потенциометр.

Световой поток, падающий на фотоэлемент, рассчитывается из следующих соображений

где  – сила света лампы (21 свеча),  – телесный угол, внутри которого распространяется световой поток, падающий на светочувствительный слой фотоэлемента (рис. 18.4).

Рис. 18.4.

1.  Телесный угол.

2.  Расстояние до источника света.

3.  Входное отверстие.

Телесный угол, выраженный в стерадианах, равен отношению площади входного отверстия  (круга), диаметр которого равен СД, к квадрату расстояния  до источника света. Следовательно, световой поток равен:

Снятие световой характеристики производят в следующей последовательности:

1.  Включают лампу на 6 вольт и фотоэлемент по схеме, располагая их центры на одной горизонтали.

2.  Устанавливают фотоэлемент на расстоянии 10 см от лампы и подают на него напряжение V = 70 В; открывают колпачок, которым обычно закрыт фотоэлемент.

3.  Записывают показания микроамперметра в делениях шкалы в таблицу, затем зная цену деления микроамперметра, рассчитывают силу фототока в микроамперах и заносят в таблицу.

4.  Поддерживая на фотоэлементе постоянное напряжение (70 В), передвигают его на расстояние 15, 20, 25 и т.д. см и производят не менее пяти измерений фототока.

5.  Рассчитывают для каждого расстояния световой поток по формуле:

6.  Если площадь светочувствительного слоя для фотоэлемента неизвестна, то измеряют штангенциркулем расстояние СД и вычисляют площадь круга с диаметром, равным СД (рис. 18.2).

7.  Увеличивают напряжение на фотоэлементе до 100 В и всю серию измерений проводят снова.